Характеристики полевых транзисторов.
В отличии от биполярных транзисторов, которые бывают двух типов — p и n проводимости, полевые транзисторы только по конструкции различаются на три основные группы. Это:
1) p-n переходом ,
2) индуцированным каналом,
3) встроенным каналами с изолированным затвором. (см. Полевые транзисторы: типы и устройство.).
Но полевые транзисторы могут иметь разную подложку — р или n — типа. Итого, получается, шесть основных разновидностей полевых транзисторов. И все они имеют свои особенные характеристики. А характеристики бывают входные и выходные. Но не надо от такого многообразия впадать в панику и бросать ознакомление с полевыми транзисторами. Просто упростим эту задачу.
Во-первых, полевые транзисторы управляются электрическим полем затвора, а не током базы, как биполярные. Поэтому будем рассматривать только вольт-амперные (ВАХ) выходные стоковые и стоко-затворные характеристики.
Во-вторых, характеристики полевых транзисторов одного типа с разной проводимостью отличаются только полярностью напряжения управления на затворе. Поэтому для примера можно рассматривать типы полевиков какой-нибудь одной проводимости.
Вольт-амперные характеристики
Статические стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом ( рис.1 ) представляет собой график зависимости тока стока ( Ic ) от напряжения между стоком истоком ( Ucи ) при различных напряжениях на затворе ( Uзи ).
При Uзи = 0 и малых значениях Uси ток стока увеличивается до тока насыщения Iс нас. в точке В . Дальше при увеличении Uси ток Ic остается почти неизменным и только при достижении напряжения определенного значения Ucи возникает лавинообразный электрический пробой стокового участка p-n перехода и Ic резко возрастает в точке Д .
При подаче некоторого отрицательного напряжения на затвор ( Uзи ) p-n переход начинает расширяться и перекрывать токопроводящий канал, который сужается до меньшего сечения, что приводит к увеличению сопротивления между истоком и стоком. Это вызывает снижение значений тока насыщения Ic нас. и Uси нас.
В этом случае напряжение пробоя уже не будет равно Uси, как при Uзи = 0 , а к нему на стоковом участке p-n перехода прибавляется обратное Uзи управления : Uси проб. = Uси + | Uзи | , т.е. общее Uси проб остается постоянным при разных напряжениях стокового и смещения.
Такие же характеристики с пробоем будут иметь и все остальные полевые транзисторы.
Статическая стоко-затворная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом приведена на рис.2 . Так-как полевики обычно работают в режиме насыщения, поэтому стоко-затворную характеристику рассматривают в этом режиме.
Параболическая линия этой характеристики проходит через точки насыщения (рис.1, пунктирная линия через точки А и В). Самый большой ток Iс нач. будет при Uзи = 0 , а минимальный остаточный ток Ic ост. , имеющий значение в несколько микроампер — при напряжении отсечки ( Uзи отс ).
Статические стоковые характеристики полевого МДП — транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис.3 .
При отсутствии напряжения на затворе или при напряжении | Uзи | ≤ | Uзи.пор | полевой транзистор находится в закрытом состоянии ( Ic = Ic.ост) , т.к. между истоком и стоком будет сопротивление двух p-n переходов, включенных в противоположном направлении.
К сведению: металлический затвор и область канала из кремния, разделенные изолирующим слоем двуокиси кремния (стеклом), образуют конденсатор.
При увеличении положительного Uзи > Uзи.пор возле затвора образуется n-канал с электронной проводимостью и ток стока возрастает.
Статическая стоково-затворная характеристика полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа ( рис.4 ) на начальном участке аналогична полевому транзистору с p-n переходом. Разница только в том, что начальный участок при минимальном (абсолютном) пороговом значении Uзи.пор соответствует наименьшему значению стокового тока — остаточному току Ic.ост .
Статические стоковые характеристики полевого МДП — транзистора с встроенным каналом n-типа ( рис.5 ) при подаче на затвор отрицательного напряжения аналогичны характеристикам полевого транзистора с р-n переходом. В этом случае в канале индуцируют положительные заряды и сужают его, увеличивая его сопротивление. Это приводит к уменьшению стокового тока Ic .
При подаче на затвор положительного напряжения электроны будут притягиваться из подложки в канал уменьшая его сопротивление, и прибор станет работать как МДП — транзистор с индуцированным каналом.
Статическая стоково-затворная характеристика полевого МДП — транзистора с встроенным каналом показана на рис.6 .
В области 1 он работает в режиме управляющего р-n перехода, а в области 2 — в режиме с индуцированным каналом.
Входные и выходные характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа
Статические характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа приведены на рис. 40. Характеристики Ic(Uси) называются выходными стоковыми характеристиками, характеристика Ic(Uзи) называется входной характеристикой управления.
В рабочем режиме при Uси>0, Uзи0). Если увеличивать Uси, то напряжение Up-n=Uзи-Uси может достичь напряжения Uзи отс, а это означает, что в сечении канала возле стока произойдет перекрытие канала. В действительности полного перекрытия канала не происходит, т.к. полное перекрытие привело бы к отсечке тока канала Iк, создаваемого источником напряжения Uси. Оказывается, что в самом узком месте возле стока остается малое сечение канала, пропускающее ток, т.е. происходит не отсечка тока канала, а его ограничение. Такой процесс называется насыщением. Напряжение, при котором оно наступает, –напряжением насыщения Uси нас. При этом ток равен значению Ic нач.
Описанные процессы отражены на выходных характеристиках на рис. 46. Из условия Up-n=Uзи отс=Uзи-Uси нас находим:
Uси нас=Uзи-Uзи отс=|Uзи отс|-|Uзи|.
Выражение для тока стока имеет вид:
Iс=Ic нач(1–Uзи/Uзи отс) 2 .
Это парабола, график которой является входной характеристикой и имеет вид:
Если в полевом транзисторе при Ucи>Ucи нас изменять напряжение на затворе от 0 до |Uзи|>|Uзи отс|, то толщина суженного участка канала будет уменьшаться до нуля и ток канала станет равным нулю, а в цепи стока протекает некоторый малый остаточный ток (ток отсечки). Он состоит в основном из обратного тока p-n перехода, протекает от стока на затвор и пренебрежительно мал (обычно имеет значение несколько микроампер).
При большом напряжении Ucи, когда Ucи+|Uзи|>Uпроб в обратновключенном управляющем p-n переходе вблизи стока возникает электрический (лавинный) пробой и ток стока резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.
На рис.46 при Uзи=0 , Iс=Icнач=Imax; при |-Uзи|>|-Uотс|, Iс=0. Здесь Icнач – начальный ток стока; напряжение Uотс — напряжение отсечки. Uотс=(0,3…10)В, Iснач=(1…20)мА.
На выходных характеристиках также может быть проведена нагрузочная прямая, как и у биполярных транзисторов.
4.2 Полевые транзисторы с встроенным каналом
В отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n переходом в МОП-транзисторах электрод затвора изолирован от канала слоем диэлектрика толщиной 0,2…0,3 мкм, в качестве которого обычно применяют окисел (двуокись кремния SiO2).
Структура такого транзистора представлена на рис. 42. Если в этой структуре окисел заменить на p -слой, то мы возвратимся к транзистору с p-n переходом. Транзистор со структурой, показанной на рис.43, называется МОП-транзистор: М-металл, О-окисел, П-полупроводник. Английское название транзистора: MOSFET-Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor. Вывод П — это подложка, т.е. слой, на который наложен слой n -канала. Вывод подложки снабжают стрелкой, указывающей тип канала. Обычно подложку присоединяют к истоку. Причем иногда это делается внутри транзистора. Ее можно оставить и не присоединенной.
МОП-транзисторы имеют две конструктивные разновидности – с встроенным каналом ис индуцированным каналом. Обозначение на схеме транзистора с встроенным каналом n-типа показано на рис. 43. Таким транзистором является КП 305X. Х- буква, характеризующая параметры. Обозначение транзистора с каналом p-типа, приведено на рис. 42.
При работе с МОП-транзисторами необходимо соблюдать меры предосторожности. Изоляция затвора в МОП-транзисторе приводит к тому, что такой транзистор очень чувствителен к статическим зарядам, из-за которых может появиться большой потенциал на затворе и произойти пробой изоляции. Поэтому МОП-транзисторы поставляются с выводами, замкнутыми между собой временной перемычкой. Лучше не удалять эту перемычку, пока транзистор не впаян в схему. У некоторых МОП-транзисторов имеются встроенные защитные диоды и поэтому они не боятся статического электричества.
Полевые транзисторы. Основные типы. Характеристики
MOSFET — (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) использует изолятор обычно SiO2 между затвором и каналом.
JFET — полевой транзисторе с управляющим p-n переходом
MESFET — (Metal–Semiconductor Field-Effect Transistor) разновидность p-n перехода JFET с барьером Schottky; используются с GaAs и др. III-V полупроводниками.
ISFET — ion-sensitive field-effect transistor – ионно-чувствительный полевой транзистор.
ChemFET — chemical field-effect transistor — МОСФЕТ транзисторы, заряд на затворе которых определяется химическими процессами.
EOSFET — electrolyte-oxide-semiconductor field effect transistor вместо металла в качестве затвора используется электролит.
CNTFET — Carbon nanotube field-effect transistor — полевой транзистор с углеродными нанотрубками.
DEPFET – полевой транзистор с полностью обедненной подложкой, используются как сенсоры, усилители и ячейки памяти одновременно. Может быть использован как датчик фотонов.
DGMOSFET — с двумя затворами.
DNAFET — специальный FET используемый как биосенсор, с затвором из 1-й ДНК молекулы чтобы определять соответствующую нить ДНК.
FREDFET — (Fast Reverse or Fast Recovery Epitaxial Diode FET) специальный полевой транзистор, разработанный для обеспечения сверхбыстрого закрытия встроенного диода (is a specialized FET designed to provide a very fast recovery (turn-off) of the body diode)
HEMT — (high electron mobility transistor) или HFET(heterostructure FET) полевой транзистор с высокой подвижностью зарядов, гетероструктурные (шестигранные) FET. Изолятор затвора формируется из полностью обедненного материала с большой шириной запрещенной зоны.
HIGFET — (heterostructure insulated gate field effect transisitor), гетероструктурные MISFET используются в основном в исследовательских целях.
MODFET — (Modulation-Doped Field Effect Transistor) использует квантовую структуру, сформированную градиентным легированием активной области.
NOMFET – (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor) — память на основе органических наночастиц.
OFET – (Organic Field-Effect Transistor) — канал из органического полупроводника.
GNRFET – (Field-Effect Transistor that uses a graphene nanoribbon for its channel). С каналом из графеновой пленки.
VFET – (Vertical Field-Effect Transistor), вертикальный полевой транзистор, полевой транзистор с вертикальной структурой, полевой транзистор с вертикальным каналом.
VeSFET — (Vertical-Slit Field-Effect Transistor) is a square-shaped junction-less FET with a narrow slit connecting the source and drain at opposite corners. Two gates occupy the other corners, and control the current through the slit… полевой транзистор квадратной формы, без перехода с близким расположением истока и стока на противоположных углах. Два других входа, занимающие другие углы — затворы, которые контролируют переход.
TFET — (Tunnel Field-Effect Transistor) — основан на эффекте тунеллирования … из полосы в полосу.
IGBT — (insulated-gate bipolar transistor) устройство для контроля мощности. Представляет из себя гибрид полевого транзистора с проводящим каналом, как у биполярного транзистора. Обычно используются для напряжений 200-3000V сток-исток. Мощные MOSFETs обычно используются до 200 V.
14 Выходные характеристики полевого транзистора.
МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).
Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.
Формулы расчёта в зависимости от напряжения UЗИ
1. Транзистор закрыт
Пороговое значение напряжения МДП транзистора
2. Параболический участок.
-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.
3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.
— Уравнение Ховстайна
15 МДП-транзистор. Принцип работы.
Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоемдиэлектрика.
В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.
Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10 10 …10 14 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10 7 …10 9 ), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.
Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.
В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).
В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.
Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.
16 МДП-транзистор с индуцированным каналом. Принцип работы.
При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) (рис. вверху) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.
В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.
Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.